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為了走向國(guó)際，國(guó)內(nèi)碳纖維取決于兩個(gè)方面：一個(gè)是性能，另一個(gè)是成本。如果我們把重點(diǎn)放在這兩點(diǎn)上，我們必然會(huì)走向國(guó)際。”
他是新中國(guó)訪問(wèn)美國(guó)的第一批學(xué)者，他是哈爾濱航空航天研究所的第一任院長(zhǎng)，他在20世紀(jì)80年代初明確提出了力學(xué)與材料的結(jié)合，將細(xì)觀力學(xué)應(yīng)用于分析和應(yīng)用。他是率先研究結(jié)構(gòu)與功能一體化和多功能智能復(fù)合結(jié)構(gòu)的人，他也是第一位獲得國(guó)際復(fù)合材料委員會(huì)WORLD FELLOW榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)的中國(guó)科學(xué)家。
他是飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)和復(fù)合材料專(zhuān)家——中國(guó)工程院院士杜善義。
在外行人員來(lái)看，把結(jié)構(gòu)力學(xué)和復(fù)合材料放在一起有點(diǎn)令人吃驚。但只要有與杜善義院士有過(guò)深層的交流，你所疑惑的都會(huì)一一被解答。
走進(jìn)杜善義院士的辦公室，，陳列著“C919”、“吉隆1號(hào)”、“天宮1號(hào)”等航天和國(guó)防裝備微型模型的陳列柜尤為引人注目。他看出了我們的好奇心，杜善義平靜地打開(kāi)陳列柜的玻璃窗，拿起了“C919”的模型。他說(shuō)：“這些是我參與或咨詢(xún)的從結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)到復(fù)合應(yīng)用的項(xiàng)目。我喜歡在辦公室休息時(shí)看這些小玩意兒。”
作為中國(guó)復(fù)合材料領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人，杜善義在促進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面取得了豐碩的成果。縱觀古今，他仍關(guān)注先進(jìn)復(fù)合材料在中國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用。只要談到碳纖維及其復(fù)合材料，杜善義的精神就會(huì)精神百倍，整個(gè)人身上光芒萬(wàn)丈。
從專(zhuān)攻力學(xué)到“觸電”碳纖維復(fù)合材料
古人言“聞道有先后，術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻。”航空航天裝備、國(guó)防裝備在制造過(guò)程中需要同時(shí)應(yīng)用到力學(xué)及先進(jìn)復(fù)合材料這是不言而喻的，但一個(gè)力學(xué)專(zhuān)家為何會(huì)跨界鉆研先進(jìn)復(fù)合材料?解答這個(gè)疑惑，得從杜善義的赴美求學(xué)之路說(shuō)起。
據(jù)杜善義介紹，從小就好奇“不倒翁”的他原本一直癡迷于力學(xué)，在1980年赴美求學(xué)之前，他確實(shí)一直專(zhuān)注于航空航天飛行器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)力學(xué)研究，但正是這次赴美求學(xué)之路開(kāi)啟了他人生的另一半精彩。
“我當(dāng)時(shí)的‘老板’也是一個(gè)力學(xué)家，是國(guó)際斷裂力學(xué)權(quán)威，有一天我在實(shí)驗(yàn)室看見(jiàn)一些黑不溜秋的東西，那時(shí)候中國(guó)還不太清楚這個(gè)東西，我就問(wèn)‘做這個(gè)實(shí)驗(yàn)是干什么的?’”其實(shí)，這個(gè)不起眼的“黑色板”正是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，而導(dǎo)師接下來(lái)的一番話更是讓杜善義銘記了一輩子。“導(dǎo)師當(dāng)時(shí)給我說(shuō)的原話，說(shuō)這玩意和鋁合金性能差不多，但是比它輕多了，將來(lái)對(duì)航空航天非常有用。”
反應(yīng)機(jī)敏的杜善義當(dāng)即意識(shí)到研究它的重大意義，隨即問(wèn)他的合作導(dǎo)師，你是搞力學(xué)的，為什么研究復(fù)合材料，導(dǎo)師表示，復(fù)合材料是一種新材料，是非均勻的各向異性材料，必須把它的力學(xué)問(wèn)題搞清楚才能達(dá)到會(huì)用和用好，特別是在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，力學(xué)分析是基礎(chǔ)，必須要學(xué)扎實(shí)!這給了杜善義極大的啟發(fā)，“這門(mén)課我是學(xué)得最認(rèn)真的，現(xiàn)在還保存了厚厚的聽(tīng)課筆記，我一面在那邊學(xué)一面就開(kāi)始做研究，比如說(shuō)它里面的沖擊和疲勞問(wèn)題等等。”
“觸電”碳纖維復(fù)合材料后，杜善義在美國(guó)喬治華盛頓大學(xué)認(rèn)真研習(xí)了2年，埋頭探索“黑色黃金”的更多秘密。2年后的1982年年末，杜善義學(xué)成歸來(lái)，明確提出將力學(xué)與材料結(jié)合，用力學(xué)新理論新方法解決以碳纖維為代表的復(fù)合材料的應(yīng)用問(wèn)題，并長(zhǎng)期致力于斷裂力學(xué)、飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)和復(fù)合材料的教學(xué)和研究工作。最終實(shí)現(xiàn)了將細(xì)觀力學(xué)應(yīng)用到復(fù)合材料的分析和應(yīng)用中，并率先開(kāi)展了結(jié)構(gòu)功能一體化和智能化復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的研究。
裝備結(jié)構(gòu)輕量化是永恒的主題，碳纖維等增強(qiáng)的復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)輕量化和提高結(jié)構(gòu)效率的重要途徑之一，而輕量化又直接關(guān)系到節(jié)能和減排問(wèn)題。杜善義也經(jīng)常遇到為碳纖維復(fù)合材料“打辯論賽”的場(chǎng)景。
幾個(gè)月前杜善義在外進(jìn)行演講時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)就有嘉賓提出質(zhì)疑“你們之前說(shuō)在高鐵上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，讓高鐵輕量化，跑得更快更穩(wěn)沒(méi)問(wèn)題，那小汽車(chē)輕量化后豈不是輕飄飄的，一撞就飛了?大高個(gè)摔跟頭和小個(gè)頭完全不一樣的”。
杜善義當(dāng)即回道，“你這說(shuō)對(duì)了一半，但是輕和重也是有區(qū)別的，如果用重的撞輕的肯定輕的吃虧，但是如果所有小汽車(chē)的上方車(chē)體采用復(fù)合材料，下方底盤(pán)仍然采用金屬鋁合金，這樣整個(gè)汽車(chē)重心下移了很多，撞車(chē)也不容易翻，這是簡(jiǎn)單的力學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題。”
講完“辯論賽”大烏龍，杜善義不忘叮囑一番：“你們年輕人要運(yùn)用碳纖維，得先打好材料和力學(xué)基礎(chǔ)，這樣在應(yīng)用過(guò)程中才會(huì)更科學(xué)、更合理。”
軍民融合助跑碳纖維快速發(fā)展
“碳纖維及復(fù)合材料在上世紀(jì)出現(xiàn)之后，首先是國(guó)防和航空航天特別重視它，因?yàn)樗梢悦黠@提高裝備的性能，同時(shí)又能減輕重量，提高裝備的有效載荷，在整個(gè)國(guó)防裝備方面來(lái)看，這幾乎是最重要的材料。”杜善義作為國(guó)內(nèi)最早一批研發(fā)碳纖維復(fù)合材料的老專(zhuān)家，對(duì)它的應(yīng)用發(fā)展史如數(shù)家珍。
時(shí)光流轉(zhuǎn)，如今碳纖維復(fù)合材料在民用層面同樣大放異彩，大到“C919”大飛機(jī)，小到釣魚(yú)竿、網(wǎng)球拍，碳纖維以另一種輕盈之姿進(jìn)入到我們的生活之中。杜善義表示，如今的飛機(jī)甚至已經(jīng)將以碳纖維為代表的先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用量視為一架飛機(jī)的科技水平，這也是航空飛機(jī)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要標(biāo)志。
“‘碳氏家族’新增的這個(gè)成員非常有意義，因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料它本身有很多的優(yōu)越性，在一定意義上它是顛覆性技術(shù)，是別的一些傳統(tǒng)材料不可替代的，碳纖維也是典型的軍民兩用的戰(zhàn)略性新興材料。”杜善義表示，‘碳氏家族’每一位成員都意義重大，富勒烯、石墨烯、碳納米管、碳纖維、石墨塊等都曾引爆一時(shí)，但目前只有碳纖維的發(fā)展和應(yīng)用是最活躍的。
在他看來(lái)，碳纖維能夠從“碳氏家族”脫穎而出，除了其本身不可替代的優(yōu)越性能外，軍民兩用的融合發(fā)展更是起到了舉足輕重的推動(dòng)作用。
他進(jìn)一步解釋到：“我們認(rèn)為它最初是一個(gè)‘貴族材料’，主要應(yīng)用在國(guó)防、航空航天領(lǐng)域，但在當(dāng)時(shí)供不應(yīng)求、國(guó)家高度重視的情況下，一批民企的企業(yè)家非常有擔(dān)當(dāng)、有責(zé)任地主動(dòng)參與到碳纖維的技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用推廣中來(lái)，他們覺(jué)得這是一種使命感，積極滿足國(guó)家發(fā)展需求，因此中國(guó)碳纖維的發(fā)展，我認(rèn)為民企起到非常重要的作用。”
據(jù)報(bào)道顯示，杜善義曾多次公開(kāi)表達(dá)了對(duì)碳纖維行業(yè)民營(yíng)企業(yè)家的關(guān)注及感謝，“我國(guó)的碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)之所以能夠取得明顯突破，以陳光威為代表的民營(yíng)企業(yè)家們功不可沒(méi)，我很尊重他，我們應(yīng)該永遠(yuǎn)記住他。”
杜善義表示，碳纖維及其復(fù)合材料首先是參軍應(yīng)用，滿足國(guó)防、航空航天的需要，經(jīng)過(guò)國(guó)防應(yīng)用層面的反復(fù)試驗(yàn)、嘗試之后，積累了碳纖維的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，再輻射到能源、船舶、海洋、交通等民用層面去應(yīng)用，反過(guò)來(lái)又帶動(dòng)碳纖維企業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)，這就形成了碳纖維的特色發(fā)展模式。因而，在杜善義看來(lái)，碳纖維是最典型的軍民融合的產(chǎn)物，值得其它行業(yè)借鑒。
揭秘碳纖維價(jià)格之謎
正是因?yàn)樘祭w維有其特色發(fā)展模式，在國(guó)家積極鼓勵(lì)發(fā)展新材料行業(yè)之際，不少資本亦或正處轉(zhuǎn)型之際的企業(yè)家大多以碳纖維行業(yè)作為參考，對(duì)新材料這一新興行業(yè)持觀望之勢(shì)。因而，開(kāi)年以來(lái)多家國(guó)產(chǎn)碳纖維企業(yè)發(fā)布碳纖維漲價(jià)公告之后，幾近引起行業(yè)巨蕩之勢(shì)，國(guó)人對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維等其它新材料行業(yè)發(fā)展之勢(shì)的猜測(cè)不絕于耳。
時(shí)隔半年之久，國(guó)產(chǎn)碳纖維的漲價(jià)事件早已塵埃落定。那么，國(guó)產(chǎn)碳纖維在2018春節(jié)后為何“開(kāi)門(mén)紅”?難道國(guó)產(chǎn)碳纖維的質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先生產(chǎn)水平?還是如網(wǎng)友眾說(shuō)紛紜的高成本一直沒(méi)有得到解決?杜善義從宏觀、微觀層給了詳細(xì)的解答。
記者：對(duì)于國(guó)產(chǎn)碳纖維漲價(jià)一事，您認(rèn)為高成本是根本原因嗎?
杜善義院士：對(duì)于任何一種新材料或任何一套裝備而言，成本問(wèn)題始終是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。那么對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題可能更為重要。據(jù)我所知，從整個(gè)中國(guó)的碳纖維發(fā)展情況來(lái)看，說(shuō)實(shí)在話，因?yàn)樵谔祭w維發(fā)展之初，很多的先進(jìn)裝備都是引進(jìn)的，比如說(shuō)它的聚合爐、氧化爐、碳化爐等這些都是引進(jìn)的，因此生產(chǎn)碳纖維的成本相對(duì)要比國(guó)外高一點(diǎn)。這是國(guó)產(chǎn)碳纖維“貴”的第一個(gè)原因。
第二，我國(guó)碳纖維的應(yīng)用面還比較窄，量不是太大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)消耗的碳纖維及其復(fù)合材料約為2萬(wàn)噸，這是軍用、民用所有行業(yè)的應(yīng)用量加起來(lái)的總和，算是比較少，那么相對(duì)來(lái)講它的成本也高。
第三，就是碳纖維目前存在的供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的問(wèn)題。我國(guó)碳纖維產(chǎn)能相對(duì)來(lái)講比較高，但是產(chǎn)量相對(duì)不飽和，包括還存在質(zhì)量問(wèn)題。比如說(shuō)為達(dá)到對(duì)高產(chǎn)能的要求，就需要配置好大批量研發(fā)生產(chǎn)設(shè)備，但由于實(shí)際市場(chǎng)需求等因素，并沒(méi)有生產(chǎn)那么多東西，那么設(shè)備廠房等本身也占成本，也要消耗。所以產(chǎn)能、產(chǎn)量、質(zhì)量這方面還需要協(xié)調(diào)。
記者：所以在您看來(lái)，我國(guó)碳纖維的生產(chǎn)成本，前幾年確實(shí)比國(guó)外稍微高一點(diǎn)。那么碳纖維高成本這個(gè)問(wèn)題在如今有改善嗎?
杜善義院士：從國(guó)產(chǎn)碳纖維近幾年的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，成本在不斷降低，為什么呢?因?yàn)楝F(xiàn)在不僅是國(guó)防航空航天，包括能源、海洋工程、交通等其它方面的一些基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)都在大量采用碳纖維。碳纖維及其復(fù)合材料是一個(gè)非常有活力、非常有前途的材料，大家對(duì)它非常感興趣，最明顯的就是汽車(chē)行業(yè)。中國(guó)每年生產(chǎn)3000萬(wàn)輛汽車(chē)，如果每輛汽車(chē)用1公斤碳纖維復(fù)合材料，需求量將達(dá)到3萬(wàn)噸。所以在這種情況下來(lái)看，我想它的成本會(huì)逐漸降下來(lái)。
另外，正如“十九大”提出的“質(zhì)量強(qiáng)國(guó)”，通過(guò)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，和碳纖維生產(chǎn)工藝過(guò)程控制技術(shù)的提高，以及用量的逐漸增加，碳纖維的成本會(huì)越來(lái)越下降，所以這一點(diǎn)我想不用擔(dān)心。
降成本這方面，這是未來(lái)的一個(gè)戰(zhàn)略，也是我們必須要去實(shí)現(xiàn)的，具體降到什么程度，現(xiàn)在還不能完全定論。但是據(jù)我了解，比如說(shuō)我們國(guó)產(chǎn)T800級(jí)高檔碳纖維，因?yàn)槲覀冊(cè)诤娇蘸教旆矫鎴?zhí)行的一個(gè)計(jì)劃，整個(gè)報(bào)價(jià)其實(shí)和國(guó)外基本持平，所以成本降低還是有希望。
記者：那您認(rèn)為現(xiàn)階段的國(guó)產(chǎn)碳纖維的價(jià)格，對(duì)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)是否合理?
杜善義院士：由于國(guó)家的重視，企業(yè)家的重視，科技工作者的重視，再加上碳纖維及復(fù)合材料它本身的優(yōu)越性，因此無(wú)論在國(guó)際還是我們國(guó)內(nèi)來(lái)看，碳纖維的發(fā)展速度都比較快。目前國(guó)產(chǎn)碳纖維不管從高強(qiáng)和高模量來(lái)看，雖然不能說(shuō)超過(guò)日本、美國(guó)這樣一些國(guó)家，但我們是緊緊跟在后面，但是這個(gè)距離很近了，我們要從跟跑發(fā)展成并跑。我覺(jué)得現(xiàn)在是逐漸要達(dá)到并跑這樣一個(gè)水平。
記者：您對(duì)國(guó)內(nèi)碳纖維行業(yè)發(fā)展有什么建議?
杜善義院士：我希望國(guó)產(chǎn)碳纖維這個(gè)行業(yè)能夠國(guó)際化，而且必須國(guó)際化，我們不能僅僅滿足于供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。我們應(yīng)該有這樣一個(gè)雄心，有這樣一個(gè)夢(mèng)想，我想我們中國(guó)人完全有能力、有技術(shù)，能夠做到把碳纖維推向國(guó)際化。
走向國(guó)際其實(shí)就是兩個(gè)方面：一是業(yè)績(jī)，即質(zhì)量，二是成本。只要我們的重點(diǎn)放在這兩個(gè)方面，將來(lái)我們必然能夠走上國(guó)際化。
碳纖維對(duì)我們建設(shè)材料強(qiáng)國(guó)、制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)，和我們的航空航天的強(qiáng)國(guó)，都有積極的推動(dòng)作用。我希望更多的碳纖維公司，特別是民營(yíng)企業(yè)，能夠完全設(shè)計(jì)和制造設(shè)備，如氧化爐、碳化爐等，從源頭上降低成本。二是希望碳纖維的數(shù)量不斷增加，協(xié)調(diào)方的供應(yīng)改革將降低其成本。這兩個(gè)非常重要。